JP2014112640A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置を製造する際にリードフレームの互いに隣接する島部同士の隙間から樹脂材料が不必要に流出することを防止した半導体装置およびその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】半導体装置は、金属製基板１２と、金属製基板１２上に位置し熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂１５ｓと、下層樹脂１５ｓ上に位置し熱硬化してなる上層樹脂１６ｓと、上層樹脂１６ｓ上に位置し、互いに隣接する島部３０ａ、３０ｂを有するリードフレーム１８と、島部３０上に配置された半導体素子２２とを備えている。下層樹脂１５ｓの熱硬化反応完了後に、上層樹脂１６ｓの熱硬化反応が完了している。そして、島部３０ａ、３０ｂの上層樹脂１６ｓ側の部分のうち互いに向かい合う対向辺部３２ａ、３２ｂが除去されてなる除去空間Ｓに、上層樹脂１６ｓの一部が入り込んでいる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子をモールド成形してなる半導体装置およびその製造方法に関する。

金属製基板上に、電気絶縁性の樹脂層と、リードフレームと、半導体素子とを順次配置しモールド成形してなる半導体装置が広く使用されている。この半導体装置では、使用時での半導体素子の発熱は、金属製基板から外部に放散される。

このような半導体装置を製造する際、従来、金属製基板上に熱硬化性の電気絶縁性の樹脂材料を層状に配置し、更にリードフレームを配置して未硬化の樹脂材料を加熱圧着して熱硬化させることで、金属製基板と一体化された樹脂層を形成している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１６５２８１号公報

ところで、リードフレームには、半導体素子などを配置するために複数の島部が形成されている。そして、半導体装置の小型化のために、島部が互いに隣接するように形成されていることが多い。

しかし、リードフレームを樹脂材料上へ押圧して加熱圧着する際、隣接する島部同士の隙間から樹脂材料がはみ出して盛り上がり易い。この結果、樹脂封止する際に、はみ出して盛り上がった樹脂材料が周囲に流れ出し、半導体素子と封止樹脂との密着性、或いはリードフレームと封止樹脂との密着性を阻害する懸念が考えられる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、半導体装置を製造する際にリードフレームの互いに隣接する島部同士の隙間から樹脂材料が不必要に離間空間の上端から突出して周囲に流出することを防止した半導体装置およびその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は、金属製基板と、前記金属製基板上に位置し熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂と、前記下層樹脂上に位置し熱硬化してなる上層樹脂と、前記上層樹脂上に位置し、互いに隣接する島部を有するリードフレームと、前記島部上に配置された半導体素子と、を備え、前記下層樹脂の熱硬化反応が完了した後に、前記上層樹脂の熱硬化反応が完了しており、前記島部の上層樹脂側の部分のうち互いに向かい合う対向辺部は少なくとも一部が除去された形状にされ、該除去によって形成された除去空間に前記上層樹脂の一部が入り込んでいることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項１記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、前記下層樹脂と、前記下層樹脂上に形成され前記上層樹脂の形成材である未硬化上層樹脂とを前記金属製基板上に形成してなる中間体を製造しておく第１工程と、前記半導体素子を搭載した前記リードフレームを、前記中間体の前記未硬化上層樹脂上に載置して押圧することで前記除去空間に前記未硬化上層樹脂を流入させる第２工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体装置を製造する際にリードフレームの互いに隣接する島部同士の隙間から樹脂材料が不必要に流出することを防止した半導体装置およびその製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の半導体装置の側面断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の一実施形態で半導体装置の製造方法を説明する工程毎の側面断面図である。 図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態で半導体装置の製造方法を説明する工程毎の側面断面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の変形例を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の変形例を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態の半導体装置の変形例を示す側面断面図である。 図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、比較例の半導体装置の製造方法を説明する工程毎の側面断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図面は模式的なものであり、寸法比などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための例示であって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものではない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態という）の半導体装置１０の側面断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、半導体装置１０の製造工程毎の側面断面図であり、各製造工程における図１の矢視ＩＩ−ＩＩの断面図に相当する。図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態で半導体装置の製造方法を説明する工程毎の側面断面図であり、各製造工程における図１の矢視ＩＩ−ＩＩの断面図に相当する。ここで、図３（ａ）は図２（ｃ）に連続する工程であり、図２と図３は一連の工程を示している。

本実施形態の半導体装置１０は、放熱性の金属製基板１２と、金属製基板１２上に位置する熱硬化性樹脂材１４とを備えている。熱硬化性樹脂材１４は、金属製基板１２上に位置し熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂１５ｓと、下層樹脂１５ｓ上に位置し熱硬化してなる上層樹脂１６ｓと、からなる。上層樹脂１６ｓの熱硬化温度（その温度以上では熱硬化する温度）は、下層樹脂１５ｓよりも高い。また、上層樹脂１６ｓには、熱硬化する際に接着力が生じており、上層樹脂１６ｓは接着層としての役割を果たしている。なお、説明の都合上、本明細書では、熱硬化性樹脂材１４については、未硬化のもの、一部硬化しているもの、全部硬化しているもの、の何れも熱硬化性樹脂材１４として説明する。

ここで、熱硬化性樹脂は、熱による硬化反応の初期段階では粘度が連続的に低下し、ある時期に粘度が最低となり溶融状態となる。更に加熱を続けると、熱硬化反応により粘度が上昇に転換し、粘度が最大に達し反応が終了したときに熱硬化が完了する。下層樹脂１５ｓや上層樹脂１６ｓはこのように熱硬化反応が完了したものであり、未硬化下層樹脂（下層樹脂１５ｓの形成材であって熱硬化する前の樹脂）や未硬化上層樹脂１６ｆは熱硬化反応が完了してない段階のものである。また、未硬化下層樹脂や未硬化上層樹脂１６ｆの熱硬化反応が完了するまでの時間は、熱硬化させる際の温度の保持時間（温度保持時間）によって変わってくるが、本実施形態では、未硬化下層樹脂を熱硬化させる温度における温度保持時間を充分に長くしても未硬化上層樹脂１６ｆの熱硬化反応が完了しない例で説明する。

半導体装置１０は、更に、上層樹脂１６ｓ上のリードフレーム１８と、リードフレーム１８上に接着材２０で接合（実装）された半導体素子２２と、金属製基板１２の下面側を露出するように全体を覆うモールド樹脂２４とを備えている。

リードフレーム１８には互いに隣接する島部（チップアイランド）３０ａ、３０ｂが形成されている。島部３０ａと島部３０ｂとの距離ｄは、島部３０ａ、３０ｂの厚みｔの０．６〜２．０倍の範囲である。０．６倍よりも小さいと、半導体装置１０を製造する際に後述の離間空間Ｑの上端から未硬化上層樹脂１６ｆが不必要に盛り上がり易くなる。また、２．０倍よりも広いと半導体素子２２の配置面積比（実装効率）を高くする上であまり好ましくない。

そして、島部３０ａ、３０ｂの上層樹脂１６ｓ側の部分のうち互いに向かい合う対向辺部３２ａ、３２ｂが除去され、この除去によって形成された除去空間Ｓに上層樹脂１６ｓの一部が入り込んでいる。本実施形態では、対向辺部３２ａ、３２ｂがＣ面状３４に面取りされた形状にされている。

（製造方法）
以下、半導体装置１０の製造方法について説明する。本実施形態では、下層樹脂１５ｓと、下層樹脂１５ｓ上に形成され上層樹脂１６ｓの形成材である未硬化上層樹脂１６ｓとを金属製基板１２上に形成してなる中間体１７を予め製造しておく。

中間体１７を製造するには、例えば、まず、下層樹脂１５ｓの形成材となる未硬化下層樹脂と、上層樹脂１６ｓの形成材となる未硬化上層樹脂１６ｆと、からなる熱硬化性樹脂材１４を金属製基板１２上に載置する。未硬化上層樹脂１６ｆとしては、熱硬化する際に接着力が発生する樹脂であって、未硬化下層樹脂の熱硬化反応完了時には熱硬化反応を未完了にすることが可能な性質のものを用いる。なお、未硬化上層樹脂１６ｆのシリカの含有量を多くすることで、上層樹脂１６ｓの熱伝導性が高くなり、半導体素子２２で発生した熱を金属製基板１２に逃がし易くすることができ、半導体素子２２を冷却する上で好ましい。

熱硬化性樹脂材１４の載置後、未硬化下層樹脂の熱硬化が完了して下層樹脂１５ｓが形成され、かつ、未硬化上層樹脂１６ｆは熱硬化が完了せずに軟化状態となるような条件で、金属製基板１２に熱硬化性樹脂材１４を載置したものを熱処理することで、中間体１７を得る。

本実施形態では、まず、リードフレーム１８の島部３０ａ、３０ｂ上に半導体素子２２を接着材２０などで接合してなる第２中間体３７を製造する。

そして、金属製基板１２が下方側に位置するように、予め製造しておいた中間体１７を押圧用位置に載置し、その上に、第２中間体３７を載置する（図２（ａ）参照）。

更に、リードフレーム１８を上方から下方に向けて押圧することで、図２（ｂ）に示すように、除去空間Ｓに未硬化上層樹脂１６ｆ（若干硬化している場合では半硬化状態の樹脂）が流入する。更に、図２（ｃ）および図３（ａ）に示すように、隣接する島部３０同士の離間空間Ｑにまで未硬化上層樹脂１６ｆが押し上げられて離間空間Ｑを埋め、かつ、離間空間Ｑから未硬化上層樹脂１６ｆが不必要に盛り上がることがない状態となる。本実施形態では、このような状態となるように、リードフレーム１８および未硬化上層樹脂１６ｆの各厚み、離間空間Ｑの寸法などが、未硬化上層樹脂１６ｆの粘度などを考慮して決定されている。

その後、金属製基板１２の下面側を露出させるようにモールド成形することで、図１や図３（ｂ）に示すような半導体装置１０が得られる。このモールド成形時に、未硬化上層樹脂１６ｆが完全に熱硬化して上層樹脂１６ｓとなる。

以上説明したように、本実施形態では、未硬化上層樹脂１６ｆ上に載置したリードフレーム１８を押圧した際、除去空間Ｓに未硬化上層樹脂１６ｆが収容される。すなわち、除去空間Ｓが未硬化上層樹脂１６ｆの逃げ溝としての役割を果たしているので、離間空間Ｑの上端から不必要に突出した樹脂材料が周囲に流出してリードフレーム上に付着することは回避されている。従って、半導体素子２２とモールド樹脂２４との密着性が未硬化上層樹脂１６ｆによって阻害されることが防止されている。そして、この効果は、上層樹脂１６ｓよりもリードフレーム１８が薄い場合や、隣接する島部３０ａと島部３０ｂとの距離ｄ（すなわち離間空間Ｑの幅）が小さい場合ほど、特に顕著に奏される。

また、対向辺部３２ａ、３２ｂをＣ面状３４の面取り形状にすることで上記除去空間Ｓを作成しており、除去空間Ｓの形成が容易である。

また、未硬化上層樹脂１６ｆが離間空間Ｑにまで入り込んでおり、この結果、モールド成形時に離間空間Ｑが上層樹脂１６ｓで埋められた構造になっている。従って、離間空間Ｑにはモールド樹脂２４が存在していないので、半導体装置１０の使用中にモールド樹脂２４が半導体素子２２から剥がれる事態が仮に生じたとしても、離間空間Ｑには上層樹脂１６ｓが残存しているので、離間空間Ｑの両サイド側に隣接している島部３０ａと島部３０ｂとの間での電気絶縁性が確保される。

また、未硬化上層樹脂１６ｆは、モールド成形前では完全には熱硬化しておらず、ポストキュア時に完全に熱硬化して上層樹脂１６ｓとなる。従って、モールド成形前に完全に熱硬化している場合に比べ、モールド成形時に上層樹脂１６ｓに生じる内部応力を緩和することができ、上層樹脂１６ｓとリードフレーム１８とが剥離し難くなる。

半導体装置１０を回路基板等に取り付けて使用することはもちろん可能である。また、半導体装置１０としてＩＰＭ（Intelligent Power Module）を製造してもよい。

また、本実施形態では、離間空間Ｑが上層樹脂１６ｓで埋められている例（厳密には、図３（ｂ）に示すように、上層樹脂１６ｓがやや盛り上がっている例）で説明したが、離間空間Ｑを未硬化上層樹脂１６ｆで埋めずに、あるいは離間空間Ｑの途中まで上層樹脂１６ｓで埋め、離間空間Ｑの一部または全部をモールド樹脂２４で埋めてもよい。これにより、リードフレーム１８の押圧深さを厳密に設定する必要がなく、リードフレーム１８の押圧作業が簡単になり製造時間の短縮化が図られる。

また、本実施形態では、対向辺部３２ａ、３２ｂにおいてＣ面状３４の面取り形状にすることで、面取りによる除去部分で除去空間Ｓを形成することを説明したが、未硬化上層樹脂１６ｆが流入できる空間を形成できる限り、対向辺部３２ａ、３２ｂの形状は特に限定せず、例えば、図４に示すように、対向辺部３２ａ、３２ｂをＲ面状３６にしてもよい。

また、Ｃ面状３４にする部分の厚みｐ１（図２および図３参照）やＲ面状３６にする部分の厚みｐ２（図４参照）がリードフレーム１８の厚みｔの半分以上の厚みであると、離間空間Ｑの上端から未硬化上層樹脂が不必要に盛り上がることを防止する効果を顕著に奏することができる。

また、モールド成形時の成形圧力によって島部３０ａ、３０ｂの周囲に未硬化上層樹脂１６ｆを押し込んで、島部周囲に上層樹脂１６ｓが位置する構造、更にはやや盛り上がる構造にしてもよい。これにより、上層樹脂１６ｓと半導体素子２２との接着力を更に向上させることができる。また、島部３０ａ、３０ｂの形状は特に限定するものではなく、他の形状の島部であっても本実施形態が適用され得る。

また、本実施形態では、島部３０ａ、３０ｂの互いに向かい合う対向辺部のうち、上層樹脂１６ｓ側（図３に示す島部３０ａ、３０ｂの下側）の角部を除去することで除去空間Ｓが形成されている例で説明したが、図５に示すように、島部４０ａ、４０ｂの互いに向かい合う対向辺部のうち、半導体素子２２側（図３、図５に示す島部４０ａ、４０ｂの上側）の角部をＣ面状４４に面取りすることで除去空間Ｓを形成し、この除去空間Ｓに未硬化上層樹脂１６ｆを入れて熱硬化させてもよい。更には、図６に示すように、Ｃ面状４４ではなくＲ面状４６に面取りすることで除去空間Ｓを形成して、この除去空間Ｓに未硬化上層樹脂１６ｆを入れて熱硬化させてもよい。

なお、本実施形態では、未硬化下層樹脂の熱硬化させる温度では、温度保持時間を充分に長くしても未硬化上層樹脂１６ｆの熱硬化反応が完了しない例で説明したが、これに限らず、未硬化下層樹脂の熱硬化反応完了時には未硬化上層樹脂の熱硬化反応が未完了で、未硬化上層樹脂上に、リードフレーム７８を載置して押圧して除去空間Ｓに未硬化上層樹脂を流入させることができる限り、本実施形態と同様の効果を奏することができる。従って、未硬化下層樹脂を熱硬化させる際に、その温度での保持時間を長くすると熱硬化反応が完了してしまうような性質の未硬化上層樹脂を用いた場合であっても、未硬化下層樹脂の熱硬化反応の完了後でかつ未硬化上層樹脂の熱硬化反応の完了前に、未硬化上層樹脂上にリードフレーム７８を載置して押圧して除去空間Ｓに未硬化上層樹脂１６ｆを流入させることができる限り、本実施形態と同様に、これを熱硬化させてなる上層樹脂１６ｓの一部を除去空間Ｓに入り込ませた形態にすることができる。

また、本実施形態では、リードフレーム１８の島部３０ａ、３０ｂ上に半導体素子２２を接着材２０などで接合して第２中間体３７を製造する例で説明したが、半導体素子２２をリードフレーム１８に接合する前にリードフレーム１８を熱硬化性樹脂材１４上に載置し、その後に半導体素子２２をリードフレーム１８に接合させることも可能である。

（比較検討例）
図７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、比較例の半導体装置の製造工程毎の側面断面図である。本比較例では、リードフレーム１８に代えて、上層樹脂側の対向辺部に除去空間Ｓが形成されない従来のリードフレーム７８を用いる。

本比較例では、下層樹脂１５ｓと、下層樹脂１５ｓ上に形成され上層樹脂１６ｓの形成材である未硬化上層樹脂１６ｓとを金属製基板１２上に形成してなる中間体１７を予め製造しておく。そして、リードフレーム７８の島部８０ａ、８０ｂ上に半導体素子２２を接着材２０などで接合しておく。

そして、図７（ａ）に示すように、金属製基板１２上の所定位置に熱硬化性樹脂材１４を載置し、更にその上に、半導体素子２２が接合されたリードフレーム７８を載置する。

更に、図７（ｂ）に示すように、未硬化上層樹脂１６ｆに載置したリードフレーム７８を押圧すると、隣接する島部８０ａと島部８０ｂとによって形成されている離間空間Ｎに未硬化上層樹脂１６ｆが入り込んで押し上げられる。

その際、上記実施形態とは異なり、未硬化上層樹脂１６ｆの逃げ場がないので、離間空間Ｎの上端から未硬化上層樹脂１６ｆが不必要に盛り上がってなる盛上がり部８２が形成される。この結果、モールド成形で樹脂封止する際に、半導体素子２２とモールド樹脂２４との密着性を阻害することが考えられる。

一方、上記実施形態の半導体装置１０では、上述したように、リードフレーム１８の上層樹脂側（紙面下側）の対向辺部３２ａ、３２ｂに形成された除去空間Ｓに上層樹脂１６ｓの一部が入り込むので、離間空間Ｑに連通する除去空間Ｓが未硬化上層樹脂１６ｆの逃げ溝としての役割を果たしている。従って、離間空間Ｑの上端から未硬化上層樹脂１６ｆが不必要に流出することは回避されている。

以上のように、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、リードフレームの上層樹脂側の対向辺部の少なくとも一部が除去されたことによる除去空間が未硬化上層樹脂の逃げ溝としての役割を果たすので、互いに隣接する島部同士の離間空間から未硬化上層樹脂が不必要に流出することを防止した半導体装置およびその製造方法として用いるのに好適である。

１０ 半導体装置
１２ 金属製基板
１４ 熱硬化性樹脂材
１５ｓ 下層樹脂
１６ｆ 未硬化上層樹脂
１６ｓ 上層樹脂
１７ 中間体
１８ リードフレーム
２２ 半導体素子
３０ａ、ｂ 島部
３２ａ、ｂ 対向辺部
３４ Ｃ面状
３６ Ｒ面状
Ｓ 除去空間
Ｑ 離間空間

Claims (6)

1. 金属製基板と、
   前記金属製基板上に位置し熱硬化してなる電気絶縁性の下層樹脂と、
   前記下層樹脂上に位置し熱硬化してなる上層樹脂と、
   前記上層樹脂上に位置し、互いに隣接する島部を有するリードフレームと、
   前記島部上に配置された半導体素子と、
   を備え、
   前記下層樹脂の熱硬化反応が完了した後に、前記上層樹脂の熱硬化反応が完了しており、
   前記島部の上層樹脂側の部分のうち互いに向かい合う対向辺部は少なくとも一部が除去された形状にされ、該除去によって形成された除去空間に前記上層樹脂の一部が入り込んでいることを特徴とする半導体装置。
2. 互いに隣接する前記島部同士の距離は、前記島部の厚みの０．６〜２．０倍の範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記対向辺部がＣ面状またはＲ面状とされていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
4. 前記除去空間の上側に連通する前記島部同士の離間空間が前記上層樹脂によって埋められていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体装置。
5. 請求項１記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
   前記下層樹脂と、前記下層樹脂上に形成され前記上層樹脂の形成材である未硬化上層樹脂とを前記金属製基板上に形成してなる中間体を製造しておく第１工程と、
   前記半導体素子を搭載した前記リードフレームを、前記中間体の前記未硬化上層樹脂上に載置して押圧することで前記除去空間に前記未硬化上層樹脂を流入させる第２工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記第２工程後、モールド成形時に前記未硬化上層樹脂を完全に熱硬化させて前記上層樹脂とすることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。

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